箱式商用储能系统结构分析

朱业清



箱式商用储能系统结构分析

朱业清

（江苏天合储能有限公司，江苏 常州 213031）

主要针对储能系统集装箱的整体结构进行了静强度分析，并对其在海洋运输过程中在一定频率的波浪载荷作用下的强度进行了分析。基于某工程实际使用的集装箱设计模型，建立了其有限元模型并进行了仿真分析，分析结果表明其强度满足使用需要。目前，此结构形式的集装箱已经运达工程现场，完成安装，结果证明了有限元仿真分析的有效性及可行性。

储能系统；强度分析；谱分析；波浪载荷

随着国家节能减排的政策引导，新能源行业迅猛发展，一体式储能系统应运而生。商用一体式储能系统中，主要将电池簇、双向变流器、配电柜等部分集成安装在一个外形标准的集装箱体内部，主要以并网或者离网的形式存在，并网可以削峰填谷，为电网平衡减压、平滑负荷、降低用电成本；离网可作为微电网的重要组成部分，形成光、储、柴等多形式发电系统[1]。以下原因促使储能系统产生并发展：①不断增加的总用电量、日益增大的电力消耗的日夜峰谷差；②可再生能源的输出功率具有随机性和间歇性波动；③可再生能源在电力系统中所占比例逐渐增加，其并网稳定性已成为用户对负荷侧电能质量新的更高的要求[2-3]。

安装及建设周期方面：一体式储能系统交付客户时，内部各设备已完成安装、布线、调试，可以正常使用。到工程现场后只需简单地接口安装及调试后，即可运行使用。因此，其安装灵活、建设周期短，是现阶段较适合于工程应用的技术[4]。集装箱式外形，可与普通集装箱一同运输，具有更大的通用性，便于安装、运输、占地少、移动灵活等特点，作为一种新的储能设备，受到人们广泛重视[5]。本工程主要为100～300 kW功率等级，100～300 kW·h电量等级，外形尺寸约为10尺、20尺集装箱（1尺约为0.33 m），重量主要集中在电池簇及逆变器位置，受力集中在主框架，为了节约时间，在不影响分析结果的情况下，对分析模型进行合理简化。

1 框架分析模型

图1为框架分析模型，本分析模型选用10尺外形箱体框架，框架选用Q235矩形钢型材。整体框架结构，根据内部器件位置布置，整体按照对称、重心居中的原则排列。四周框架选用较大矩形钢，考虑吊装及堆叠，主要对材料的抗拉强度及屈服强度要求较高。底框架上表面为主要受力面，为内部各设备安装面。整体架构采用焊接方式，重要连接位置采用满焊，圆滑过渡，用以消减应力集中。图2为局部网格划分放大图。材料主要参数方面，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服强度为235 MPa。

图1 底框架模型

图2 网格划分重要位置

2 结果分析

2.1 静力分析

图3为整体形变量梯度图，图4为应力大小梯度图。如图3所示，最大变形量处于中间位置红色部分，最大形变量2.098 mm，最大应力在角件连接处结构位置为126.8 MPa，存在应力集中，可通过改善焊接工艺调整，降低实际应力大小。底框架整体应力不超过60 MPa，符合强度要求。此箱体用于海外，考虑海运过程中的吊装及大风浪的小概率事故发生，设计强度比较高，设计均选用标准型材。

2.2 模态分析

船舶在波浪中，特别是海况较为恶劣时，易产生大幅横摇运动。船舶做大幅横摇运动时表现出复杂的非线性动力学动作，严重的非线性横摇运动在波浪外激励或其他激励扰动下极易导致船舶的倾覆。大型船舶在海运过程中，除了受自身重力载荷外，还受到风、浪、流等外界载荷作用，箱体与船体一起运动，产生橫摇、升沉、纵摇等6个自由度的运动[6]。图5为模态一阶变形结果，图4为一阶频率形变量。根据模态仿真结果显示，框架自身频率共计算五阶，参考运载船本身，主要看第一阶，计算结果为11.933 Hz，变形量为1.523 7 mm。形变量小，符合设计要求。

图3 变形结果

图4 应力结果

图5 模态一阶变形结果

模态分析六阶频率如表1所示。

表1 模态分析六阶频率

Mode123456 Frequency/Hz11.93314.76514.89319.49829.75642.383

2.3 谱分析

箱体在海运时，船体受到波浪载荷的冲击，此动载荷是复杂的非线性问题。进行恶劣海况下整体结构安全的客观评估主要有理论估算和实船测试。据实测海况条件，纵摇和橫摇周期均为10 s。根据实测海况条件，取ITTC谱形式，即有义波高1/3=3.8 m，平均周期1=8.4 s。按照现行的我国国家海浪标准，有义波高1/3=3.785 m，为5级浪，称为大浪；6级浪的浪高标准为有义波高为4.0～6.0 m，称为巨浪。平均周期没有规定[7]。而参考美国海军浪级标准，6级巨浪的有义波高为5.5 m，平均周期1=7.9 s，谱型为ITTC谱，由于该海浪环境规定比较明确，所以采用这组数据。模态分析主要计算出箱体主框架自身的频率及相应的变形量。通过查阅资料，海浪周期一般为13 s，频率很低，不会与箱体自身频率产生共振。模态分析为谱分析做准备。

根据理论力学，横摆加速度为：

式（1）中：为船宽；1为横摆角度；θ为周期。

则：

式（2）中：为系数，参见《海船法定检验技术规则》；为船舶中心至基线的垂直高度；0为船舶未计入自由液面修正的初稳性高度。

参考工程实际，确定船宽、横摆角度、周期，得出相应的加速度。根据不同的频率及相应的加速度，等效施加在集装箱框架上，得出谱分析结果，海浪不同频率对应加速度如表2所示。

表2 海浪不同频率对应加速度

周期/s109.598.587.57 频率/Hz0.10.1050.1110.1180.1250.1330.143 加速度/（m/s）0.5250.580.650.730.820.931.07

图6 变形结果

图7 变形结果

图6为整体形变量，图7为定向形变量。在静力分析、模态分析基础上，进行谱分析，计算结果显示，变形量很小，整体框架强度符合正常使用及海运过程所需的强度要求。

3 结论

基于某工程实际使用的设计模型，建立有限元模型，分析结果表明强度满足使用需要。目前，此结构形式已经运达工程现场，完成了安装，证明了有限元仿真分析的有效性及可行性。本次强度分析主要采用Workbench先进的耦合分析思路。结合实际工程需要，主要针对强度进行分析验证，提供了一个结构强度分析方法，有助于此类问题的解决。

［1］Oudalov A，Chartouni D，Ohler C.Optimizing a battery energy storage system for primary frequency control［J］. IEEE Transactions on Power Systems，2007（03）：1259-1266．

［2］Kyung S K，Mckenzie K J，Liu Yilu，et al.A study on applications of energy storage for the wind power operation in power systems［C］//IEEE Power Engineering Society General Meeting，2006.

［3］Lu M S，Chang C L，Lee W J，et al.Combining the wind power generation system with energy storage equipment［J］.IEEE Trans.on Industry Application，2009，45（06）：2109-2115.

［4］张子峰，王林，陈东红，等.集装箱储能系统散热及抗震性研究［J］.储能科学与技术，2013，2（06）：642-648．

［5］房凯，孙威，徐少华，等.箱式一体化储能系统研究概述［J］.电器与能效管理技术，2017（07）：69-72.

［6］冷志，秦立成.驳船载大型软管滚筒海上运输强度分析［J］.石油和化工设备，2018，21（05）：28-30.

［7］邱强，陈敏康，潘良，等.恶劣海况下船体波浪载荷的统计推断［J］.中国舰船研究，2016，11（06）：47-55.

2095－6835（2019）03－0033－02

TM912

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.033

朱业清（1984—），男，河南商丘人，工程师，硕士，研究方向为储能系统结构设计及仿真分析。

〔编辑：张思楠〕